ANSYS在大型內燃機機車車體結構計算分析應用

1 概述

為適應我國鐵路貨運提速重載要求,擬研制裝用大功率內燃機的重載機車。該機車車體采用整體承載式結構,與當前通用的內燃機車車體(如東風8B 機車車體)相比,該機車車體中部承受的柴油機、電機等部件的重量增加了許多,且底架兩端旁承組中心距拉大。作為機車的主要承載結構,車體鋼結構的優(yōu)化設計是該機車研制工作中的主要任務,車體鋼結構必須在滿足車體強度、剛度要求下實現(xiàn)輕量化設計,以滿足機車的軸重要求。為了指導并實現(xiàn)車體鋼結構的優(yōu)化設計,我們采用大型有限元分析軟件ANSYS,在完成前期許多類比、優(yōu)化計算的基礎上,再次對該機車的車體結構設計方案進行了計算、改進、優(yōu)化減重分析。

2 車體結構簡介

機車車體由司機室、頂蓋、側墻、底架、間壁等部分組成,是機車的主要承載結構。機車在運用時,車體結構除要承受上部設備作用的垂向載荷外,還要承受牽引力、橫向力以及可能遇到的數(shù)值很大的縱向拉伸、縱向壓縮等載荷,為保證車體鋼結構的強度和剛度要求,車體的關鍵承載部位如底架的柴油機梁、旁承梁、主發(fā)梁、邊梁、牽引梁、橫梁,側墻的上弦梁、立柱,司機室立柱,頂蓋主要承載梁等均采用了由鋼板、鋼板折彎件、槽鋼等焊接而成的閉口組合截面結構;車體側墻采用了由側墻立柱、上弦梁、交叉斜撐組成的桁框組合結構;車體底架牽引梁和底架邊梁之間連有箱形牽引斜撐,以保證數(shù)值很大的牽引載荷、拉伸載荷、壓縮載荷等縱向載荷有效地通過前后從板座、牽引梁、牽引斜撐傳遞到旁承梁和底架邊梁,進而傳遞到整個車體;車體司機室、頂蓋、側墻、底架、間壁各部分相互焊連在一起,使車體成為整體承載式車體。在采用整體式油箱情況下,車體底架中部焊接有油箱,使車體與油箱共同承載。

3 計算模型的建立

車體的結構復雜龐大,其結構及所受載荷均不具有嚴格的對稱性,為了準確模擬車體的結構特點并使計算結果反映車體的工作性能,建立了車體的整車模型進行計算分析,計算模型中對車體的主要承載結構、主要承載部位均作了仔細的模擬。為使車體原結構、改進結構、優(yōu)化結構的計算結果具有對應性、可比性,建立模型時采用的實體建模方法、網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格大小疏密控制參數(shù)完全一樣。為了完成車體的優(yōu)化計算工作,建立計算模型時充分應用了ANSYS 軟件的程序化、參數(shù)化、模塊化等技術。

    圖1 車體原結構(整體式油箱方案)計算用有限元模型

圖1 為建立的原結構車體計算用有限元模型。為保證計算精度并提高計算效率,模型中用ANSYS 軟件的Shell63 殼單元模擬車體的鋼板結構;模型中根據(jù)車體上部設備的安裝情況,將各上部設備用作用在其安裝部位的Mass21 質量單元來模擬;機車的二系簧則用Combin14彈簧單元模擬,彈簧單元剛度按機車在整備狀態(tài)下靜撓度為10mm 考慮。計算用有限元模型中共有殼單元103098 個,質量單元8832 個,彈簧單元96 個,單元節(jié)點95181 個。根據(jù)車體鋼結構的材料,計算用有限元模型中采用的材料參數(shù)為:彈性模量E=210GPa,泊桑比ν=0.3,密度ρ=7850kg/mm3,計算用有限元模型的質量為20350kg。

4 車體計算載荷、計算工況、邊界條件、計算結果評定

根據(jù)機車不同的運用要求,本次分析參照TB/T2541-1995《內燃、電力機車車體靜強度試驗方法》、TB/T1335-1996《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范》、GB3314《內燃機車通用技術條件》等規(guī)范和標準,確定了車體計算工況、計算結果要求。

    4.1 計算工況

    計算工況有:垂直靜載工況;垂直動載工況;正向運行牽引工況;反向運行牽引工況;正向起動牽引工況;1960KN 縱向壓縮工況;1470KN 縱向拉伸工況;整體起吊工況;一位救援吊工況;二位救援吊工況;司機室保護工況 ;模態(tài)頻率計算;

    4.2 計算結果評定

靜強度許用應力

車體鋼結構的材料,主要承載部位為Q345A,其強度指標為:屈服強度σs≥345MPa,抗拉強度σb=470~630MPa。

各工況的許用應力選取如下:

垂直靜載工況:安全系數(shù)取2.5,許用應力[σ]=138MPa;

垂直動載、運行牽引等工況:安全系數(shù)取1.5,許用應力為[σ]=230MPa;

起動牽引、縱向拉伸、縱向壓縮、救援吊、司機室保護等工況:安全系數(shù)均取1.0,許用應力[σ]=345MPa。

5 車體結構減重優(yōu)化分析

對車體進行結構減重優(yōu)化分析的目的是在滿足車體結構的強度、剛度、模態(tài)頻率等要求下,確定車體的最佳輕量化設計方案。此次優(yōu)化分析采用了設計優(yōu)化分析技術,對改進結構車體進行了減重優(yōu)化分析。優(yōu)化分析的結果盡可能地保證車體結構的減重要求,又體現(xiàn)車體結構設計的模塊化特點。

    5.1 設計優(yōu)化方法介紹

對機車車體結構進行設計優(yōu)化,目標是確定在滿足車體結構的強度、剛度、模態(tài)頻率要求這一條件下,車體重量為最小值時的車體結構設計參數(shù),為車體結構減重設計提供參考和指導。

為保證車體優(yōu)化計算的有效性、可行性,根據(jù)前期車體改進結構方案的分析結果及設計需要,本次優(yōu)化分析選取垂直靜載和1960KN 縱向壓縮兩種典型工況進行,確定優(yōu)化方案,再對優(yōu)化方案的車體進行強度、剛度、模態(tài)頻率校核。

對車體結構進行設計優(yōu)化時采用的參數(shù)和約束條件為:

目標函數(shù)(OBJ):選擇車體結構的重量為目標函數(shù),設計優(yōu)化的目標是使車體重量取最小值,即使車體重量最輕。

狀態(tài)變量(SVs):選擇車體結構在計算工況下的最大應力值作為狀態(tài)變量。對車體在垂直靜載工況下進行設計優(yōu)化,狀態(tài)變量為車體結構BOTTOM 面的最大應力值SVs1,以及底架邊梁中部相對于機車每端二系旁承組中心的最大撓度SVs2;對車體在1960KN 縱向壓縮工況進行設計優(yōu)化,狀態(tài)變量為車體結構BOTTOM 面的最大應力值SVs1。

約束條件:就是設計優(yōu)化中的最大應力、最大撓度不超過計算標準相應的許用值。對車體在垂直靜載工況下進行設計優(yōu)化,要求SVs1〈138MPa、SVs2〈6.68mm;對1960KN 縱向壓縮工況的設計優(yōu)化,要求SVs1〈345MPa。

設計變量(DVs):設計變量的選用力求滿足車體結構的模塊化、輕量化設計要求,如對柴油機安裝梁、柴油機梁、旁承梁、牽引梁部件,將其上蓋板、側板、下蓋板厚度分別用一個變量表示;對不同的底架橫梁、不同部分的側墻彎板、不同部分的側墻斜撐,均分別用不同變量表示其厚度;對側墻立柱、底架小梁、頂蓋大梁、底架地板、底架邊梁、底架端部、牽引斜撐梁、主發(fā)梁等部件,則分別將部件板厚統(tǒng)一用一個變量表示。設計優(yōu)化中選用的設計變量及其值所代表的部位對應情況如表1 示。